跨學科視域下高中化學HPS教學實踐

周萍 朱琴梅

[摘要] HPS作為科學史、科學哲學與科學社會學交織的科學教育理念，凸顯了其對科學知識由來、基源與應用的延展，有助于創設跨學科敘事力、提升跨學科的交響力與表達跨學科的共情力。以“原電池的百年變遷”主題進行教學探索，生成了以追溯化學發展，激發學習熱情;鋪陳趣味實驗，構建電池模型;模擬科學歷程，思考模型本質;改進現實應用，體悟科學本質為主要步驟的HPS教學模式，實現化學學科育人價值的深度開發。

[關鍵詞] 高中化學;HPS;跨學科主題學習;科學史;科學本質

當前，培養學生的化學學科核心素養已然成為化學學科育人的根本目標。為了進一步促進學生具身性、能動性地獲取化學學科核心素養，經由廣泛且深入的科學實踐成為必由之路。高中生處于知識結構的自我重建與深化階段，其認知水平與思辨能力的限制，制約了“真學實做”的科學實踐展開。而HPS作為“科學史”“科學哲學”和“科學社會學”三者的簡稱，能讓學生在歷史、哲學和社會學語境中對于科學本質多維透視[1]。跨學科視域下的高中化學HPS教學探索，旨在改變以“知識為中心”和“學科為中心”的觀念，培養跨學科的開放、多元思維，更好地理解科學的知識本質、探究思維本質與事業本質[2]。現以HPS理念跨學科教育的價值意義探討，借由“原電池的百年變遷”這一主題，進行教學實踐探索。

一、HPS理念下的跨學科教育價值意義

（一）HPS教學創設了跨學科的敘事力

無論是科學簡史，還是人類社會簡史，其變遷表象的背后闡釋了歷史發展的必然規律，即從歷史的敘事當中抽取可以貫穿整個歷史進程的隱性規律。對于科學教育而言，科學史包含了如何讓科學知識生長出來并發現事物的內在發展規律。而HPS教學可以借由科學變遷歷史，借助其中跨學科方法與思維的應用，加強對背后哲學觀點的挖掘，通過現實應用進而整合跨學科的上位知識。可見，HPS教學理念為跨學科的知識關聯提供了一個教學敘事框架，其不僅可以橫向鏈接本學科的專業知識與跨學科知識，還可以縱深挖掘學科理解能力，凸顯跨學科素養的培育。實則，HPS教學以學科發展歷史長河中一個又一個真實場景，統整了各學科知識間的相互聯動。這樣的教學理念或模式下，不僅有助于教學構建課堂積極的敘事脈絡，也能夠幫助學生涵育一種增長敘事的思維系統，從而提煉出化學學科，乃至自然科學的核心要義。

（二）HPS教學提升了跨學科的交響力

時至今日，化學學科的發展早已經不在于學科本體，其發展歷史、基本探究方法思維，乃至現實問題的解決早已經圓融科學、技術、工程學與社會學等方方面面。而HPS教學理念恰恰交織著科學史、科學哲學與科學社會學三者：透過中外化學史，能夠看到其中閃耀的科學思想史之光，而科學思想史本身則是拋開歷史細節，以相對抽象的形式表述、思維深化融入與現實需求的問題解決，體現了人類科學知識的過程和成果。由此可見，HPS教學可以讓學生觸摸到史實背后的哲學價值和實踐應用，提升了學生發現學科系統與整合之美的交響力。如教授化學學科時，為了追溯學科哲學觀點與實踐化學知識的生產應用，可以縱向聯系物理學的第一性原理（其思考方式是一層層剝開事物的表象，找到問題最開始的起點，即“元起點”或者“元問題”，再從本質一層層往上走），幫助學生理解貫穿化學發展史中經濟學按需發展的供需理論。而為了體現化學知識的現實應用，可以采用綜合性的化學現實生產生活主題，跨學科聯動地體會科學為人類生產服務而發展的本質。

（三）HPS教學表達了跨學科的共情力

HPS教學讓學生在跨學科思考與實踐的同時，也讓學生透過紛繁復雜的表象發現規律，看見更為廣闊的世界與深層的視角。其實，世界是普遍聯系的且遵循基本的科學規律或法則。以自組織理論的視角來看，自然界物理運動、化學物質變化，以及生命體的繁衍、進化均經歷系統結構耗散、突變，進而再協同的過程。具體而言，當體系中溫度、壓力、濃度等某個變量或行為與其平均值發生偏差時，體系的漲落變化將呈現出一種啟動力，從而躍遷到一個新的穩定的有序態，形成耗散結構。通過這一普適性的理論遷移應用，可以使學生頓悟眾多的科學知識及其內涵，如物理中的水位差（重力勢能差）是促使物質自發產生位移的原動力;生物中的濃度差是促使離子（和其他微粒）自發擴散的原動力……自組織的變化不僅存在于化學領域，也普遍存在于整個自然界乃至人類社會的各個領域[3]。而HPS教學理念恰恰是以學科間的共性與本質查找，去幫助學生獲取跨學科的共情力。當學生以HPS科學觀來共情宇宙，統整世界的變化規律時，便水到渠成地理解了某一科學方法論背后的哲學價值。

二、“原電池的百年變遷”主題的HPS教學

“原電池的百年變遷”主題以人類電源發展簡史的歷史為明線，同時又以人類科學研究方法與思維的脈絡變化為暗線，培養學生的證據推理和模型認知及宏微結合的跨學科的大化學素養，體現人類社會“按需設計”的發展理念[4]。而在教學內容對科學本質的觸及上，則分為如下三個方面：第一，科學探究方式的實證性。電池的最基本的結構層次是電極與電解液，通過對比觀察電池的變遷，從實踐角度驗證電池的差異性與統一性。第二，科學知識與方法的累積性[5]。從1780年伽伐尼的青蛙實驗開始到1836年的丹尼爾電池細胞確立，再到目前燃料電池的持續發展，體現了科學的局限性和累積性。第三，科學事業的創造性[6]。借助物理學的第一性原理，單液電池需要解決的關鍵問題是將鋅與硫酸分池存放，讓氧化劑和還原劑不接觸，開創雙液電池先河;再依據電極的本質繼而發展了燃料電池，促進了學生對科學創造性本質的理解。

（一）追溯化學發展，激發學習熱情

教學過程：先幫助學生追溯電池發展史，從2000年新型H2燃料電池→1992年鋰離子電池→1887的干電池→1859年的鉛蓄電池→1836年的丹尼爾電池→1799年的伏打電池→原電池的雛形（1780年伽伐尼的青蛙實驗），讓學生從電池簡史中探討電池的共性。與此同時，教師給出先行組織者材料：1800年伏打把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片，平疊起來制成了世界上第一個電池“伏打電堆”，并實際展示弓形電極（焊接在一起的一端為鋅一端為銅）。AFE3AC2F-3F52-4C9D-BDDE-E709A904FAC9

[設計意圖]該教學過程采用倒敘的方式幫助學生追溯電源的百年史，以歷史故事激發學生的學習熱情。將蘊含HPS的科學史、科學哲學和科學社會學的相關知識，以情境來設疑，以問題來導學，讓學生體會科學知識本質中的歷史階段的暫定性與局限性，并理解科學事業的本質。而后具體示例的弓形電極，讓學生有可視的過程，進行更深入的探究與實踐。

（二）鋪陳趣味實驗，構建電池模型

教學過程1：讓學生自己動手利用現有鋅粒、彎曲的銅絲和電解質溶液稀硫酸，設計并制作簡易原電池裝置，做一個創意實驗，即將一小粒鋅置于培養皿中，向培養皿中加入少量稀硫酸，使其浸沒鋅粒;將彎曲的銅絲一端浸在稀硫酸中，然后另一端抵觸在鋅粒表面。通過該實驗，讓學生分析原電池構成設計要素有哪些，各部分起什么作用。緊接著，繼續追問學生能否看見SO42-等陰離子的移動，并設問：如果負極為鋅片，正極為比鋅活性差的不同電極材料，實驗現象會有差異嗎？

[設計意圖]鋪陳的首個趣味實驗中銅絲既是導線又作為正極。通過右側銅絲上生成的氣泡，既“看見”了外電路中的電流和內電路中H+的流動，論證了電子從無序走向有序和H+移動的內驅力為電場力、擴散力。根據氧化還原理論，SO42-在溶液中不放電，必須通過數字化實驗呈現。通過傳感器測SO42-的濃度變化“看見”了陰離子的移動，進一步提升學生的學習興趣。同時，教師提出連環問題，引導學生以宏微結合視角看待問題，深化科學實踐的實證研究意識。

教學過程2：讓學生完成第二個趣味實驗“雙手電池”，即將鋅片用導線與靈敏電流表負極相連接，鋁片、鐵片、錫片、銅片、石墨棒分別用導線與靈敏電流表的正極相連。左手觸摸鋅片，右手分別觸摸鋁、鐵等正極材料，記錄靈敏電流表指針偏轉大小及方向（說明：由于每位同學手上的汗液不均，可先在飽和食鹽水中浸濕）。之后，便讓學生通過討論得出結論：電極活性相差越大，電流計偏轉越大，電勢差越大。緊接著，讓學生完成另一個趣味實驗“串聯實驗”，讓一些同學手牽手，一位同學左手觸摸鋅片，另一位同學右手可以分別觸摸鋅片、鐵片、錫片、銅片、石墨棒，發現電流計偏轉比一個人稍會小一點，論證了兩個人的電阻更大的想法。

[設計意圖]在學習過程中，學生以孫子兵法中的“激水之疾至于漂石者，勢也”形象地比喻了鋅—石墨組合中失電子能力的差異，論證了外電路中電子從無序走向有序的本質為電勢差。此外，他們借助物理學的第一性原理，找到了問題最開始的起點，頓悟了解決問題的關鍵是將鋅與硫酸分池存放，讓氧化劑和還原劑不接觸。學生面對存在的問題自然而然地與科學家遇到的困難產生共鳴。而通過創意實驗生物（人體）電池，學生領悟了“耗散結構理論”：電勢差是電荷自發定向移動的原動力。通過自主探究，學生對比總結，體驗了科學的局限性，深刻領悟了HPS的科學思想史觀。

（三）模擬科學歷程，思考模型本質

教學過程：教師首先給出一則先行組織者材料，即1836年英國化學家丹尼爾發明了以鋅負極浸于硫酸鋅電解質與銅正極浸入硫酸溶液所形成的丹尼爾雙液電池，大大提高了電池的效率。緊接著，追問學生從單液電池的自放電到雙液電池需解決的關鍵問題是什么。此時，學生提取丹尼爾電池的搭“橋”思路，找到了“鏈接”方案。接下來，教師便讓學生完成“鹽橋電池”的模擬科學歷程實驗，即鋅與硫酸溶液不接觸，隔開，讓氧化還原反應在不同區域進行，并用各種創意鹽橋：吸管（內有氯化鉀溶液與瓊脂）、濾紙、棉線（KCl溶液中浸泡過）將裝置連接，使化學能全轉化為電能。

[設計意圖]以上的教學模擬科學歷程，讓學生討論并深入理解了雙液電池的優點和鹽橋的作用。該過程不僅修正了原電池模型的不足之處，還讓學生自主、具身性地嘗試采用多張濾紙橋解決電流小、不穩定的問題。這一教學方式不僅幫助學生建構了科學敘事完整性與改進型的思維系統，還促進了學生對原電池模型及其改進的過程性思考，以便他們能夠領悟科學實踐中應用并改進模型的探究與生產實踐本質。

（四）改進現實應用，體悟科學本質

教學過程：教師給出另一則背景材料，雙液鹽橋原電池在體積上較大且電解質用溶液，移動不便，缺乏簡易性。我們日常生活需要的是體積小、重量輕、單位重量（或體積）能量比高的電池。之后，教師告訴學生1887年英國赫勒森提出了最早的干電池，且干電池中有多層牛皮紙。緊接著，便詢問學生吸管、濾紙、牛皮紙與鹽橋是否有異曲同工之處。為了進一步遷移應用，進行現實改進，詢問能否用水果膜代替鹽橋，并給予了“橘子電池”的一系列實驗方案及結果，讓學生回答上述問題（如下表）。接下來，讓學生探討為什么最早的化學電源的負極材料會選擇鋅，這是因為鋰、鈉、鎂、鋁電池開發得比較晚，提示學生19世紀初人們還不具備大量獲取活潑金屬鈉、鎂、鋁的能力，鋅是最易接觸到的活潑金屬，就成為人們最初的選擇。

對照實驗 現象 結論

鋅片、銅片插入同一瓣桔子中 有電流 鹽橋與膜異曲同工

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子中 無電流

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子中，將吸管（內有氯化鉀溶液與瓊脂）把兩瓣桔子連起來 有電流

鋅片、銅片插入不同的兩瓣桔子（兩瓣緊貼）中 有電流

[設計意圖]通過一組創意實驗，學生不僅穿越了電池從單液電池—雙液電池—離子交換膜電池的百年HPS史，且完成了兼具科學性和創造性的建模，從電源發展史中看見了歷史的邏輯和人類的思維脈絡，潤物細無聲地滲透了HPS的“科學社會學教育”。之后的鋅作為負極材料的探討說明了人類社會是按需發展的，人們的選擇受到資源和技術的制約。該過程讓學生明白，現實開發中會明確考慮“投入—產出”比的問題，且科學技術進步會受到時代性的影響。

在本節課堂教學的尾聲，教師引導學生從科學知識、科學探究和科學事業三個科學本質觀的角度出發，展開交流。從分類的角度、聯系的角度認識形形色色的電池，培養系統思考力和洞見本質的能力[7]。縱觀化學電源發展簡史，形式多樣的電源并非同時出現，是人類在使用過程中，為了更好地滿足自身的需求不斷研究、改進發展起來的。這些底層邏輯都是以伏打電堆為基本模型認知，在跨學科視域下打破學科界限，使單液電池走向雙液電池和未來電池。

[本文系江蘇省教育科學“十三五”重點課題“基于核心素養提升的普通高中跨學科主題學習研究”（項目編號：B-b/2020/02/12）和江蘇省教育科學“十三五”規劃立項課題“基于‘生活即教育思想的中學化學深度學習研究”（項目編號：E-c/2020/05）研究成果]

[參考文獻]

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[3]丁奕然，倪娟.自組織理論視域下教育風險治理的“靶向模式”[J].現代基礎教育研究，2022，45（1）：59-64.

[4]采有余.基于化學學科觀念培養的教學設計[J].中小學班主任，2021（02）：32-34.

[5][6]崔世峰，王娟.國內HPS教育融入中學化學教學的研究綜述[J].化學教學，2022（04）：3-8.

[7]蔡興鋒，朱琴梅.HPS教育在高中化學科學探究中的實踐研究[J].化學教與學，2015（5）：10-12.AFE3AC2F-3F52-4C9D-BDDE-E709A904FAC9